塔吊基础格构柱稳定性计算及影响因素分析

郭银龙

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

1 工程概况及塔吊选型分析

南京世茂G11项目商办分期酒店式公寓总承包工程位于南京市建邺区，为1栋超高层酒店公寓，占地面积约3 500 m2，总建筑面积约138 000 m2。本工程结构形式为钢筋混凝土框架核心筒结构，外框为钢立柱。塔楼地上66层，总建筑高度约260 m，主体区域地下4层，局部有地下夹层。

工程前期地下室一柱一桩钢柱已经施工完成，均为方管柱和圆管柱，布置于－19.00～－0.15 m标高范围；我公司进场施工的上部结构钢立柱共分30个吊装分段，1～9层分1层一段，10～25层分2层一段，26层及以上分3层一段。根据分段，其中1～9层的钢柱质量最大，为9.5～17.2 t。

针对南京世茂G11工程的地质及水文条件，为满足前期现场施工进度及质量较大钢构件的吊装需要，在塔吊施工的前期策划中拟采用高桩承台塔吊基础，采用的塔吊型号为ZSC600-30T塔吊，其30 m作业半径能够覆盖现场质量较大的钢构件堆场，额定起重量20.5 t，满足施工吊装要求。

2 高桩承台塔吊基础概述

高桩承台塔吊基础一般采用桩基础，通过混凝土承台把上部荷载传递到承台下部的格构柱上，再通过格构柱把荷载传递到桩基础上。桩基础一般采用混凝土灌注桩，内插钢筋笼及格构柱。随着基坑土方开挖的进行，格构柱的独立悬臂高度增加，在格构柱外侧设置竖向及横向剪刀撑，将格构柱分肢连接为整体（图1）。

图1 塔吊基础剖面示意

高桩承台塔吊基础结构采用4根φ1 000 mm的混凝土灌注桩，灌注桩中心距为3.5 m，有效桩长度为42.73 m，桩底标高为－65.33 m。桩身混凝土强度等级为C30，在灌注桩内配置的主筋为14φ25 mm，钢筋型号为HRB400；螺旋筋为φ8 mm@200 mm，钢筋型号为HRB335；桩混凝土保护层厚度为50 mm。在4根混凝土灌注桩中均插入格构柱，将格构柱与灌注桩的主筋进行焊接。

格构柱截面边长为550 m，分肢材料为200 mm×20 mm等边角钢，缀件材料为500 mm×400 mm×14 mm，缀板间净距为400 mm，分肢材料利用缀板进行焊接连接。格构式钢柱长度为21.2 m，自重为110 kN，下部锚入灌注桩的长度为3 m，上部锚入混凝土承台，承台高度为1.8 m，其锚入深度为900 mm。

3 格构式钢柱受压稳定性计算

在高桩承台的塔吊基础受力计算中，塔吊承台、灌注桩的受力比较容易满足要求，主要问题是格构式钢柱的受压稳定性验算。当基础底板施工时，格构式钢柱独立悬臂高度最大，此时是最不利的塔吊受力情况，只要该情况下的格构式钢柱受压验算满足要求即可。

3.1 设计标准值取定

1）计算中采用的塔吊型号为ZSC600，考虑工作状态下塔吊的竖向荷载设计值、水平荷载设计值、倾覆力矩设计值、承台及其上土的自重荷载设计值后，荷载效应基本组合偏心竖向力作用下的Qmax=3 370.034 kN。

2）格构柱分肢材料200 mm×20 mm等边角钢，其截面积A0=76.5 cm2，对最小刚度轴的回转半径iy0=3.93 cm，分肢平行于对称轴的惯性矩I0=2 867.3 cm4，分肢形心轴距分肢外边缘距离Z0=5.69 cm，分肢材料屈服强度fy=235 MPa，抗拉、压强度设计值f=215 MPa。

3.2 格构式钢柱换算长细比验算

整个格构柱截面对x、y轴惯性矩I=4[I0＋A0(a/2－Z0)2]=157 026.087 cm4。

整个构件长细比λx=λy=H0/[I/(4A0)]0.5=93.586。分肢长细比λ1=l01/iy0=10.178。

分肢毛截面积之和A=4A0=30 600 mm2。

格构式钢柱绕两主轴的换算长细比λ0max=(λ2x＋λ21)0.5=94.138，λ0max=94.138≤[λ]=150，满足要求。

3.3 格构式钢柱分肢的长细比验算

λ1=10.178≤min（0.5λ0max，40）=40，满足要求。

3.4 格构式钢柱受压稳定性验算

λ0max(fy/235)0.5=94.138。查GB 50017—2017《钢结构设计规范》中的附录C“b类截面轴心受压构件的稳定系数”，得φ=0.594，Qmax/(φA)=185.407 MPa≤f=215 MPa，满足要求。

4 分析影响格构式钢柱稳定性的因素

在塔吊基础的格构柱长度、材质一定的情况下，利用品茗安全计算软件对不同情况下的塔吊基础的格构式钢柱进行计算，分析影响其稳定性的因素[1-3]。

4.1 灌注桩的桩径

在塔吊基础的4根混凝土灌注桩中插入格构柱，灌注桩的桩径大小将影响格构柱的允许最大截面尺寸，从而影响截面惯性矩和长细比。如直径为1 100 mm的灌注桩允许格构柱的最大截面尺寸为600 mm，而1 000 mm的灌注桩允许格构柱的最大截面尺寸为550 mm。故灌注桩的桩径是影响格构柱稳定性计算的因素。

4.2 桩心距

在其他条件不变的前提下，通过调整灌注桩之间的桩心间距，如将3.5 m的桩心距调整为3.0 m之后，格构柱受压临界应力由185.407 MPa增大至205.879 MPa，稳定性降低。因此，灌注桩的桩心距对格构柱的稳定性影响较大。

4.3 格构柱分肢材料

格构柱分肢截面大小的变化，将影响格构柱的分肢毛截面积之和，从而影响格构柱的长细比及受压截面积，对其稳定性造成影响。如将分肢截面由200 mm×200 mm×20 mm改为200 mm×200 mm×24 mm，格构柱的受压临界应力由185.407 MPa减小到158.045 MPa，格构柱的稳定性提高。因此，格构柱分肢截面对格构柱稳定性影响较大。

4.4 格构柱截面尺寸

格构柱截面尺寸的变化，导致整个格构柱截面对x、y轴惯性矩发生变化，影响格构柱长细比和稳定性。将格构柱截面尺寸由500 mm改为550 mm，格构柱的受压临界应力由210.577 MPa减小到185.407 MPa，格构柱的稳定性提高。因此，格构柱截面尺寸对格构柱的稳定性影响较大。

4.5 承台尺寸

根据规范规定，塔吊基础的灌注桩宜均匀对称布置，且不宜少于4根，边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或截面边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于200 mm。在灌注桩桩心距保持不变的情况下，承台尺寸的大小直接影响灌注桩中心至承台外端的距离。承台尺寸由5.5 m×5.5 m×1.8 m增大至6.0 m×6.0 m×1.8 m后，格构柱的受压临界应力由185.407 MPa增大至189.678 MPa，受压临界应力的增幅并不明显。因此，承台尺寸对格构柱的稳定性影响一般。

4.6 格构柱锚入灌注桩的长度

在本文格构柱稳定性计算中，格构柱下部锚入灌注桩的长度为3 m。根据规范要求，格构式钢柱下端伸人灌注桩的锚固长度不宜小于2.0 m，且应与基桩的纵筋焊接。调整格构柱锚入灌注桩长度为2.0 m后，进行格构柱稳定性的计算，格构柱的受压临界应力从185.407 MPa增加至186.307 MPa，增幅不明显，说明格构柱锚入灌注桩的长度对格构柱的稳定性影响一般。

4.7 缀板净间距

在本文格构柱稳定性计算中，缀板规格为500 mm×400 mm×14 mm，净间距为400 mm。缀板间距l=800 mm≤2b（分肢型钢形心轴之间距离）=872 mm，满足构造要求。调整缀件净间距为300 mm后，缀板间距l=700 mm≤2b=872 mm，同样满足构造要求。格构柱的受压临界应力未发生变化，说明缀板净间距的调整不影响格构柱稳定性。

4.8 格构柱剪刀撑

随着基坑土方的分层开挖，应在格构式钢柱外侧四周及时设置竖向剪刀撑，将各格构式钢柱连接为整体。根据JGJ/T 187—2009《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》的规定，只要剪刀撑的截面积不小于格构式钢柱分肢的截面积，与钢柱分肢及缀件的连接焊缝厚度、长度满足规范要求即可。故格构柱剪刀撑属于构造措施，不会影响格构柱的稳定性。

4.9 影响因素综合分析

综上4.1～4.8的分析可知，影响高桩承台塔吊基础格构柱稳定性的因素分析如表1所示。

影响格构柱的稳定性因素比较多，对一般或者无影响的因素，要按照规范或构造要求进行施工，尽量向有利于安全的方面取值；对于较大的影响因素，则需对其进行认真分析，严格按计算结果的参数取值进行现场施工。

表1 格构柱受压稳定性因素的综合分析

5 结语

在逆作法、深基坑类工程中，选取高桩承台塔吊基础，可解决塔吊桩基埋深较大、前期土方开挖阶段不能利用塔吊的难题，其施工方便，安全可靠，在工程中的应用将越来越广泛。而塔吊基础的格构柱稳定性验算是其中相对复杂的部分，应着重注意其影响因素，根据实际情况合理取值，指导现场施工，保证塔吊的安全施工与使用。